Senzorji in aktuatorji

Senzorji (tipala, odjemniki) so »naprave«, ki veličine iz okolja (iz »realnega sveta«) pretvorijo v obliko, primerno za nadaljnjo obdelavo z elektronskimi vezji.
Najpogostejše veličine iz okolja so temperatura, tlak, pretok, sila, navor, hitrost vrtenja, pot pomika, kot zasuka in druge. Izhodni signal senzorja je najpogosteje v obliki električne napetosti, upornosti ali toka.
Senzorji nadomeščajo in dopolnjujejo človekova čutila.

Nekaj primerov:

Uporovni temperaturni senzor KTY10 uporabljamo za merjenje temperature, saj se mu s temperaturo spreminja električna upornost. Z nekaj dodatnimi elektronskimi elementi in napajanjem dobimo vezje, ki daje na izhodu temperaturno odvisno električno napetost.

Z računalnikom napetost zajamemo in jo računsko obdelamo, rezultat je številsko izražena zunanja temperatura. V celotni opisani merilni verigi je senzor prvi člen.

Slika: Temperaturni senzor KTY10

Uporovni raztezni merilni trak (an. strain gauge). Na podlagi (zelene barve) ima nanešeno uporovno plast v obliki serpentin. Če takšen trak nalepimo na podlago, ki je mehansko obremenjena v smeri serpentin, se spremeni upornost merilnega traku. Pri nategu se poveča, pri tlaku pa zmanjša.
Če merilni trak vključimo v ustrezno vezje, dobimo električni signal (napetost), ki je odivsna od obremenitve merjenca.
Na tem principu delujejo mnoge tehtnice vseh merilnih razponov - od gramskih do naprav za tehtanje tovornih vozil ali za testiranje mostovnih konstrukcij.

Slika: Uporovni merilni trak, nalepljen na kovinsko palico.

Slika: Primer tehtalne celice, v kateri so že vgrajeni uporoavni merilni trakovi. Tehtalna celica je kot odjemnik že pripravljena za vgradnjo v napravo, na primer tehtnico.

Senzor, namenjen za merjenje vlage v zemlji

Senzor za tlak. Na levi je odprt.

Pretvornik za merjenje hitrosti vetra.

Podrobnejše podatke o senzorju moramo poiskati v dokumentaciji proizvajalca.

Priključitev senzorjev na računalnik

Računalnik kot naprava je v bistvu zelo bogato elektronsko vezje oziroma množica takšnih vezij. Pri priključevanju naprav nanj moramo upoštevati pravila elektronike. Pravimo, da moramo zagotoviti združljivost na fizičnem nivoju.

Edina oblika, ki je neposredno primerna za prenos podatkov v osebni računalnik, je električna napetost. Ta lahko zavzame le eno od dveh možnih stanj: visoko stanje in nizko stanje. Običajno znaša visoko stanje 5V, nizko stanje pa 0V. Pri novejših digitalnih vezjih srečamo tudi nižje električne napetosti. Električni signali, ki lahko zavzamejo samo določene vrednosti (v našem primeru dve), se imenujejo digitalni ali diskretni signali. Signali, ki lahko zavzamejo tudi vse vmesne vrednosti, so analogni signali. Za neposredno obdelavo v računalniku so primerni digitalni signali.

Binarna govorica

Slika: Računalnik lahko neposredno obdeluje le binarne signale oziroma podatke.

Če želimo signale iz senzorjev priključiti na računalnik, jih moramo najprej ustrezno »predelati«.
1. Pretvoriti jih moramo v električno napetost.
2. Električno napetost moramo pretvoriti v »digitalno« obliko.

Od temperature do napetosti

Slika: Pretvorba neelektrične veličine v električno. Prvi je senzor, sledi še pretvorba v napetost, filtriranje, ojačenje. Pripravljen električni signal alhko priključimo v računalnik preko vmesnika.

Prvo nalogo – pretvorbo v električno napetost – opravijo senzorji in prilagodilna vezja:
•   Senzor pretvori določeno fizikalno veličino v električno.
•   Signal iz senzorja je lahko prešibek in ga je potrebno ojačiti.
•   Signal iz senzorja lahko ni sorazmeren s temperaturo. To odvisnost želimo linearizirati.
•   V signalu iz senzorja je lahko preveč motenj in električnega šuma in ga je treba filtrirati.

Druga pomembna naloga – pretvorba napetosti v digitalno obliko – se imenuje analogno-digitalna pretvorba. O njej v nadaljevanju.

Slika: A/D pretvornik v vezju

Osnovni podatki o pretvorniku

- oznaka in opis: ADC
- ločljivost: 8 bit0820, hitri 8-bitmi A/D pretvornik
- čas pretvorbe: 2,5 µs

Slika: Pretvorba iz analogne v digitalno obliko

Za primer lahko vzamemo mikrofon, priključen na računalnik. V nekem smislu je tudi mikrofon »senzor« - naprava, ki zvočni tlak pretvarja v električno napetost. Zvočna kartica lahko v prejeti napetosti razlikuje več kot 65000 različnih vrenosti (ločljivost 16-bitne kartice).
Za obdelavo nastalega električnega signala in njegovo predelavo v digitalno obliko poskrbi zvočna kartica. Ta seveda vsebuje potrebna prilagodilna elektronska vezja in analogno-digitalni pretvornik. Tipično se v sekundi izvede 44100 meritev električne napetosti in pretvorb v digitalno obliko.

Priključitev več senzorjev na računalnik

Pred obdelavo izmerjenih vrednosti z računalnikom pa je potrebno signale iz senzorjev "obdelati" z dodatnimi elektronskimi vezji.

Pri velikem številu merjenih veličin – na primer v proizvodnem obratu ali raziskovalnem laboratoriju – se kaj kmalu zgodi, da je senzorjev več kot razpoložljivih »vhodov« na računalniku. Zato podatke iz večjega števila senzorjev povežemo najprej na napravo, ki podatke s senzorjev krožno bere, prebrane podatke pa sproti pošilja na izbrani »vhod«, (vrata, port) računalnika. Takšnemu načinu prenašanja podatkov pravimo multpleks.

Današnji merilni sistemi omogočajo zajemanje preko 200 merilnih vrednosti z istim merilnim sistemom.

Obdelava signalov

Slika: Primer naprave za obdelavo do 256 merilnih signalov.

Aktuatorji

Aktuator je pretvornik, ki sprejme signal in ga pretvori v fizično akcijo, dejanje. To je mehanizem, preko katerega je mogoče vplivati oziroma učinkovati na okolico. Glede na uporabljeno tehnologijo so lahko električni, pnevmatični, hidravlični.

<-- Levo:
Pnevmatični cilinder uporablja za pogon stisnjen zrak. Za pomik bata zadošča krmiljenje ventilo. Z pnevmatičnim cilindri izvajamo linearne pomike.

Desno:-->
primer aktuatorja z električnim pogonskim motorjem (ni viden, je vgrajen).

Mesto senzorjev in aktuatorjev v vodenju procesa je prikazano na spodnji sliki. Senzorji so za nadzorni računalnik vir podatkov o sistemu, aktuatorji pa so "podaljšana roka" za izvajanje posegov v sistemu. S tem je "krog" zaključen: podatki o procesu - obdelava podatkov - odziv, ukrepanje.

Programska oprema

Programska oprema zavizualizacijo, nadzor in upravljanje proceso predstavlja svoj segment na področju programske opreme.
Podpirati mora - poleg splošnih programskih zahtev - še delo v realnem času, različne vrste komunikacije s procesom in zunanjim svetom.
Poseben poudarek je na zanesljivosti delovanja, saj gre za občutljive procesne sisteme, v katerih nastopajo občutljivee, drage nevarne, močne in
Za tovrstno programsko opremo pogosto srečamo oznako SCADA - (iz angl. Supervisory Control And Data Acquisition) , ki združuje funkcije pregleda nad procesom, merjenje in upravljanje. Na sliki je nekaj primerov.

SCADA

Slika: Nekaj zaslonov programskega nadzora procesov